CN110275071A - 一种采用门型结构的高灵敏度有源电场探头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种采用门型结构的高灵敏度有源电场探头，分为探头窄端和探头宽柄端，主要包括门型探针结构、有源放大电路、中间层参考平面以及底层参考平面，门型探针结构通过信号传输线与有源放大电路相连；门型探针结构位于有源电场探头窄柄端的顶层，沿探头平面中心线对称分布，且该门型探针的宽度与探头窄柄端的宽度一致；该门型结构探针与信号传输线之间相连的过渡部分设计成弧形；有源放大电路是一个两级射频放大电路，集成在探头宽柄端的顶层；放大电路的信号线与探头的信号传输线宽度保持一致，与中间层参考平面之间构成微带线结构，其特征阻抗设计成50欧姆，与探头输出端的SMA连接器阻抗保持一致。本发明可同时具备带宽高和高灵敏度。

Description

一种采用门型结构的高灵敏度有源电场探头
【技术领域】
本发明一种采用门型结构的高灵敏度有源电场探头，属于电磁场测试领域，特别涉及到一种基于门型探针结构以及将有源放大电路与探头结构进行一体化设计的有源电场探头，即通过本有源探头进行近场测试可以获得受测设备的高灵敏度近场电场分布参数。
【背景技术】
随着科学技术的发展，各种多用途高性能的电子电气设备的应用也日益广泛，为了保证电子系统的正常工作，避免系统性能发生降级甚至严重电磁事故的发生，需要对可能造成威胁的电磁干扰进行精准排查。因此对干扰源的高精度定位成为了当下科研人员进行研究的主要方向之一，近场探头就是为了满足这一需要而被提出的。目前，近场探头按照探测的场强形式可分为电场探头、磁场探头这两大类，按照工作带宽可分为谐振探头和宽带探头。其中宽带电磁场探头的应用较为广泛，国内已经可以设计到几十吉赫兹，在高频段的应用已经可以满足当下对近场电磁场测试的需要。而当下对空间背景环境的电磁监测频段主要集中在1吉赫兹以内，而这些高频段的电磁场探头都是无源探头，它们在低频段的灵敏度较低，导致一些弱的目标信号无法被检测。
有源电磁场探头是将有源放大电路与探头结构进行一体化设计得到的，它能够改善低频探测的灵敏度，其有效程度取决于放大电路以及探针耦合部分的性能。目前，我国大陆尚无有源探头的设计先例，国外有源电场探头设计带宽仅为一百兆赫兹，台湾地区在有源磁场探头方面的设计虽然能够达到吉赫兹，但灵敏度较低，传输增益仅为-18dB。因此一种高灵敏度且频带宽带可达吉赫兹的有源探头设计可以有效解决当下电磁环境监测的需要。
【发明内容】
为了克服现有无源电场探头的不足，并解决现有有源探头带宽窄、灵敏度低等难题，本发明的目的在于提供一种采用门型结构的高灵敏度有源电场探头，其带宽可达吉赫兹，将有源放大电路与探头结构进行一体化设计能有效解决在电磁环境监测过程中对弱小信号的空间场强分布的测试难题。
本发明采用以下技术方案实现：
一种采用门型结构的高灵敏度有源电场探头，该探头分为探头窄端和探头宽柄端，主要包括门型探针结构、有源放大电路、中间层参考平面以及底层参考平面，门型探针结构通过信号传输线与有源放大电路相连。
所述的门型探针结构位于有源电场探头窄柄端的顶层，沿探头平面中心线对称分布，且该门型探针的宽度与探头窄柄端的宽度保持一致，由于探头的电场耦合强度与探针和受测设备之间的相对面积成正相关，因此该设计结构能使探头在低频获得最大的耦合强度。该门型结构探针与信号传输线之间相连的过渡部分设计成了弧形，可以有效地控制电荷的分布，从而改善探头的性能。
所述的有源放大电路是一个两级射频放大电路，集成在探头宽柄端的顶层。该放大电路采用了两片ADI公司的射频放大芯片HMC589A，需要提供+5V的直流电压来进行放大，直流供电端附近旁接了一个2.2uF的滤波电容，电源信号滤波后分别通过两个1mH的大电感直接与放大芯片的供电管脚连接。目标信号在输入端经过一个2.2uF的电容后进入初级放大芯片，信号经初级放大后再通过一个2.2uF的级间电容进入次级放大芯片，信号经过这两级放大后最后再通过一个2.2uF的电容进行输出。目标信号进入该放大电路后最终可获得40dB左右的高增益。放大电路的信号线与探头的信号传输线宽度保持一致，与中间层参考平面之间构成微带线结构，其特征阻抗设计成50欧姆，与探头输出端的SMA连接器阻抗保持一致。
所述的底层参考平面与中间层参考平面之间的厚度设计为0.5-1.5毫米之间，主要起到增加探头硬度的作用，防止该有源电场探头在使用过程中被折断，其形状与探头整体外形基本一致。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明的门型探针结构以及将有源放大电路与探头结构进行一体化设计的方法能够有效地增大探头与受测线路之间的耦合强度，解决了国内现有电磁场探头在吉赫兹以下频段进行测试时灵敏度差的缺点。本发明同时具备带宽高和高灵敏度的特点，有效改善了国外以及台湾省在有源探头设计领域存在带宽低或者灵敏度差的情况，同时弥补了我国大陆地区在这一研究领域的空白。
【附图说明】
图1是本发明的有源电场探头结构示意图俯视图。
图2是本发明的有源电场探头结构示意图侧视图。
图3是本发明的有源电场探头结构近场测试示意图。
图4是本发明的有源电场探头传输增益测试结果。
附图标记：1、门型探针；2、信号传输线；3、弧形过渡边缘；4、直流供电端；5、有源放大电路；6、中间层参考平面；7、底层参考平面；8、直流电压源；9、供电线缆；10、受测平台；11、有源电场探头；12、同轴线缆；13、接收机；
【具体实施方式】
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1图2所示，本实例提供一种应用于近场测试的高灵敏度有源电场探头，该探头分为探头窄柄端和探头宽柄端，具体包括门型探针1、信号传输线2、弧形过渡边缘3、直流供电端4、有源放大电路5、中间层参考平面6、底层参考平面7。所述的门型探针结构1位于探头顶层的窄柄端，该门型探针通过弧形过渡边缘3直接与信号传输线2相连接，信号传输线2与中间层参考平面6之间形成了微带传输线结构，微带线的特征阻抗设计为50欧姆，探头拾取到的信号经信号传输线2进入有源放大电路5，该电路通过直流供电端4输入+5V的直流电压。本实例中被有源电场探头测试的设备可以包括集成电路、电路板、线缆，机壳等，这些仅仅是作为示例性说明，并非罗列出所有的被测试电子设备。
如图3所示，为应用本发明的有源电场探头结构进行近场测试的实施例，具体测试设备包括直流电压源8、供电线缆9、受测平台10、有源电场探头11、同轴线缆12和接收机13。
本发明的有源电场探头11放置在受测平台10的一个近场平面上，有源电场探头11的输出端与同轴线缆12的一端相连接，同轴线缆12的另一端与接收机13相连接。供电线缆9的一端与有源电场探头的直流供电端4相连，另一端与直流电压源8连接。当直流电压源8提供+5V的直流电压时，将该有源电场探头11放置在近场平面某一固定点，通过测量1吉赫兹内不同频点的传输增益，读取接收机13上的结果，经统计后可得到受测平台10的近场平面上的测试结果如图4所示，可知该有源电场探头11的传输增益可高达0dB，平坦度在3dB以内。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上描述的技术方案以及构思，做出其他各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种采用门型结构的高灵敏度有源电场探头，该探头分为探头窄端和探头宽柄端，其特征在于：该探头主要包括门型探针结构、有源放大电路、中间层参考平面以及底层参考平面，门型探针结构通过信号传输线与有源放大电路相连；
所述的门型探针结构位于有源电场探头窄柄端的顶层，沿探头平面中心线对称分布，且该门型探针的宽度与探头窄柄端的宽度保持一致；在该门型结构探针与信号传输线之间相连的过渡部分设计成弧形；
所述的有源放大电路是一个两级射频放大电路，集成在探头宽柄端的顶层；放大电路的信号线与探头的信号传输线宽度保持一致，与中间层参考平面之间构成微带线结构，其特征阻抗设计成50欧姆，与探头输出端的SMA连接器阻抗保持一致。
2.根据权利要求1所述的一种采用门型结构的高灵敏度有源电场探头，其特征在于：所述的有源放大电路采用两片射频放大芯片，需要提供+5V的直流电压来进行放大，直流供电端附近旁接一个2.2uF的滤波电容，电源信号滤波后分别通过两个1mH的大电感直接与放大芯片的供电管脚连接；目标信号在输入端经过一个2.2uF的电容后进入初级放大芯片，信号经初级放大后再通过一个2.2uF的级间电容进入次级放大芯片，信号经过这两级放大后最后再通过一个2.2uF的电容进行输出。
3.根据权利要求1所述的一种采用门型结构的高灵敏度有源电场探头，其特征在于：所述的底层参考平面与中间层参考平面之间的厚度设计为0.5-1.5毫米之间，其形状与探头整体外形一致。
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